金属切削原理 Principle of Metal Cutting
第五章 刀具磨损和耐用度
主要内容
刀具磨损形式 刀具磨损机理 刀具磨钝标准 刀具耐用度 最佳切削速度
§5-1 刀具的磨损方式和磨损 过程
磨损：切削时的摩擦使得刀具材料逐渐磨钝， 造成切削部分形状和尺寸改变。
切削力增加；切削温度上升；切削颜色改变； 产生振动；工件尺寸超差；已加工表面质量 明显恶化
切削加工时，前刀面与切屑之间， 后刀面与工件之间存在剧烈的挤压 和摩擦造成刀具和工件材料之间会 发生粘结，摩擦副之间的相对运动 使得刀具上粘结点破裂被工件和切 屑带走所产生的刀具磨损
影响粘结磨损的因素
刀具和工件材料的亲和力：
亲和力↑，粘结强度↑，粘结磨损↑；
刀具表面微观强度：
缺陷越多，粘结磨损↑；
剧烈磨损：刀具变 钝，切削力增加， 温度升高，磨损率 急剧上升，刀具失
去切削能力
§5-2 刀具的磨损机理
• 磨料磨损 • 粘结磨损 • 扩散磨损 • 氧化磨损
一.磨料磨损 1. 概念
工件材料中含 有硬度极高的 硬质点在刀具 表面刻划出沟 纹（机械磨损）
2. 碳钢中硬质点种类
碳化物：Fe3C , TiC , VC , Cr7C3 氮化物：TiN, Si3N4, VN, BN, AlN, 氧化物：SiO2 , Al2O3 , TiO 金属间化合物
四. 氧化磨损
高温时刀具材料被氧化形成氧化膜，若氧 化膜与刀具基体结合强度较低，则氧化膜 很快就被破坏，然后又生成新的氧化膜。 当氧化速度大于刀具表面所发生的扩散、 粘结速度时，刀具产生氧化磨损。
总结
刀具磨损是各种磨损的 综合结果；
当工件和刀具材料一定 时，切削温度对刀具磨 损具有决定性影响；
1. 最佳切削温度恒定
F不同的时候，其 最佳切削速度不同， 但最佳切削温度却 完全相同
相对磨损最小值和 最大切削路程和最 佳切削温度是一致 的。
2. 原因
工件材料在最佳切削温 δ 度时塑性最低，晶界强 度远远低于晶粒自身的 强度，滑移由晶粒内部 滑移变为晶间滑移；
刀具在最佳切削温度时 相对磨损最小，原子扩 散的迁移率开始增大， 这个温度也是由粘结磨 损向扩散磨损转变的温 度。
3.影响磨料磨损的因素
1. 各种速度下都存在，低速下是刀具磨损 的主要原因；
2. 刀具硬度越低，磨料磨损所占比例就越 大.碳素工具钢>高速钢>硬质合金>陶瓷 >金刚石
3. 工件材料含碳量增加、形成硬质点的合 金元素含量增加、工件硬度增加、加工 过程硬质点易于产生和析出，磨料磨损 均会增加
二. 粘结磨损
存在相对磨损最小的温 度，即最佳切削温度；
当低于最佳切削温度时 以粘结磨损和磨料磨损 为主，当高于最佳切削 温度时以氧化磨损和扩 散磨损为主
§5-3 刀具磨钝标准
生产现场磨钝标准 切削试验用磨钝标准 几种磨钝标准
一. 生产现场磨钝标准
刀具完全失效
崩刃、刀片碎裂、切削刃软化、刀具剧烈 磨损使得F和θ
常数A是t=1s时的速度，A越小 标明工件材料越难加工。
4. 泰勒公式的局限性
泰勒公式只包含了一个参数v，没有反应其它切削 参数对刀具耐用度的影响；
泰勒公式是以lgv－lgt具有线性关系得出的，实际 上在很宽的速度范围内lgv－lgt是非线性这时泰勒 公式不能真实反应v－t的关系。
切削高强度和耐热材料、切削用量过小而刀具耐 用度很长、金属切除率很高的切削用量、精车时 泰勒公式不在适用。
5. 扩充泰勒公式
f t n Af ap t p Aap
t 1
A
1
1
vm f n ap p
mn p
§5-5 切削路程与切削速度关 系
相对磨损
最佳切削速度（温度）
一. 切削路程与相对磨损
切削路程：刀具切削时的有效行 程，反映切削效率。
Lm=Vt 相对磨损：单位切削路程长度上
刀具的磨损(切削用量选择的依 据)
毁坏性破损 正常磨损VB=0.3 非正常磨损VBmax＝0.6
2. 硬质合金：
正常磨损VB=0.3 非正常磨损VBmax＝0.6 或KT＝0.06＋0.3f
3. 精加工：表面粗糙度是否超标。
§5-4 刀具耐用度
耐用度与刀具寿命 泰勒公式
一. 刀具耐用度和刀具寿命
耐用度t：新刃磨的刀具从开始切削到 达到磨钝标准所经历的切削时间。
刀具典型磨损形态
一. 刀具的失效形式
正常磨损：
1. 磨料磨损 2. 粘结磨损 3. 扩散磨损 4. 氧化磨损
破损： 1. 崩刃 2. 破碎、 3. 裂纹、 4. 切削刃软化
二. 刀具的磨损方式
1. 前刀面为主，后刀面轻微的磨损 2. 后刀面为主，前刀面轻微的磨损 3. 前刀面、后刀面同时磨损 4. 切削刃口变圆钝化
3. 破损原因
机械破损：刀具最大应力超过强度极 限
热应力引起裂纹：断续切削时，切入 和切出刀具表面的温度变化，引起应 力变化，热应力变化超过疲劳极限
4. 防止和减轻措施
选择韧性好，抗热疲劳性能好的刀 具材料；
选择合适的刀具角度。前角↓，负刃 倾角均可改善前刀面瞬间接触状态；
选择合适的切削用量； 断续切削时，减少空行程的比例
切削速度对刀具耐用度的影响
t耐用度
lm
lm切削路程
相对磨损的表达
dVB/dlm
t
d(lm·Hale Waihona Puke ·ap)/dlmVtmax
Vt0
二. 最佳切削速度(温度)
相对磨损最小的切削速度通常称为最佳切 削速度
工件和刀具材料一定，当刀具处于相对最 小的磨损的时候，不管切削用量如何，其 切削深度等于某一固定值，称为最佳切削 温度。
刀具寿命T：新刀从开始切削到完全报 废的总切削时间。
T=t(n+1)
二. 泰勒公式 1. 根据实验方法求得泰勒公 式
1. 选定磨钝标准:VB=0.3mm；
2. 固定工件材料、刀具材料、刀具几何参数、进给量、 切深等实验条件，改变切削速度，得出不同速度下 的刀具磨损曲线；
3. 根据磨钝标准求出各速度下的刀具耐用度t1、t2、t3、 t4…tn；
刀具与工件材料的硬度比：
硬度比↑，粘结磨损↓；
高速钢在正常工作速度，硬质合金在低速 时，粘结磨损所占比例较大。
三. 扩散磨损
高温时刀具和工件材料的组成因素在固态下相 互扩散，刀具的原有成分发生改变，使得刀具 材料性能降低而造成的刀具磨损。
影响扩散磨损的因素
刀具与工件材料之间是否容易发生化 学反应：易发生化学反应，扩散磨损↑；
θp
θ
§5-6 刀具破损
破损形式 破损原因 防止和减轻措施
1. 刀具破损的条件
用强度较低、韧性较差的刀具材 料加工；
断续加工时，切削力波动较大， 冲击力较大；
难加工材料的加工时，材料的强 度高、硬度高、高温强度好
2. 破损形式
崩刃:刀具表层较薄的一层材料剥落 破碎:刀具较大块材料碎裂 裂纹:刀具表层由于疲劳破坏产生 切削刃软化:高温下，切削刃发生塑 性变形
1. 前刀面为主，后刀面轻微的磨 损
切削塑性材料； 切削速度较高； 切削厚度较大； 负前角； 产生积屑瘤时
2. 后刀面为主，前刀面轻微的磨 损
切削脆性材料； 塑性材料切削速度较低； 塑性材料切削厚度较小； 增大前角，减小后角时
更明显； 切削韧性大、导热性差
的材料（不锈钢）
3. 前刀面、后刀面同时磨损
本章重点
1. 刀具磨损机理 2. 刀具耐用度 3. 耐用度与切削速度的关系 4. 切削路程与切削速度的关系
本章作业
习题集P8：3、11、16、17、20
介于上两种条件之 间；
材料在塑性变形时 有硬质点析出、加 工硬化严重
4. 切削刃口变圆钝化
耐磨性、红硬 性好的刀具精 加工导热性差 的材料；
切削韧性大、 导热性差的材 料
三. 刀具磨损过程
磨损初期：刃磨后 刀具微观表面粗糙 不平后刀面与工件 表面实际接触面积
小，应力集中
正常磨损：随着 切削时间的增加 而均匀的增加， 磨损稳定，磨损 率（dVB/dt）
金刚石与Fe/Ti、WC与碳钢：剧烈反应
TiC与碳钢：轻微反应；
Al2O3与碳钢：不发生反应；
刀具与工件材料之间接触面温度：接 触面温度↑，扩散磨损↑
高速钢在400-500℃时刀具中Fe的就会扩 散到切屑中；
硬质合金在950℃时刀具中Co、W和C的就 会扩散到切屑中；
陶瓷化学惰性，不易发生扩散磨损
工件尺寸的加工偏差 加工表面的光洁度下降 经济方面：加工成本升高
二.切削试验用磨钝标准
VB:磨损带宽度的平均值 Vbmax:磨损带宽度的最大值 VN:主磨损沟尺寸 VC:副磨损沟尺寸 KB:月牙洼宽度 KM”月牙洼中心至切削刃距离 KT:月牙洼深度
三. 几种磨钝标准
1. 高速钢、陶瓷刀具：
4. 在双对数坐标图上绘出lgv－lgt关系图，求出lgv－ lgt直线的斜率m和截距A，lgv－lgt直线方程：
2. 泰勒公式
lg v mlg t lg A
vtt A
t1 t2 t3 t4
lgt
3. 泰勒公式的实际意义
给出了切削速度与刀具耐用度 的关系，是选择切削速度的重 要依据；
系数m定量反映切削速度对刀 具耐用度影响程度，m越大标 明刀具的切削性能越差；